CHƯƠNG 5 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ
5.3. Thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu và sản phẩm đáy
Chọn thiết bị dạng ống lồng ống, dòng nhập liệu đi vào không gian của ống 1 (ống trong), cịn dịng sản phẩm đáy vào khơng gian giữa ống 1 và ống 2 (ống ngoài).
Ống truyền nhiệt được làm băng thép INOX 304 có các thơng số sau: Ống 1:
Thơng số Giá trị.
Đường kính ngồi của ống dng1= 38 mm = 0,038 m.
Đường kính trong của ống dtr1= 34 mm = 0,034 m.
Bề dày thành ống δ = 2 mm = 0,002 m.
Nhiệt độ dòng nhập liệu đi vào ống tF1v= 30oC. Nhiệt độ dịng nhập liệu ra khỏi ống tF1r= 50oC. Ống 2:
Thơng số Giá trị.
Đường kính ngồi của ống dng2= 57 mm = 0,057 m.
Đường kính trong của ống dtr2= 53 mm = 0,053 m.
Bề dày thành ống δ = 2 mm = 0,002 m.
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m.oC ). Nhiệt độ dòng sản phẩm đáy đi vào ống tW1v= 98,3oC. Nhiệt độ dòng sản phẩm đáy ra khỏi ống tW1r= 60oC.
Suất lượng của dòng sản phẩm đáy vào thiết bị trao đổi nhiệtGw1 = 850 kg/h.
Nhiệt lượng trao đổi giữa 2 dòng là: QW=280547,2kJ/h. Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ΔTlogngược chiều:
∆Tlog = tW1v − tF1r − tW1r − tF1v ln tW1v− tF1r
tW1r− tF1v
= 98,3 − 50 − (60 − 30)
ln 98,3 − 5060 − 30 = 38,43 ℃.
Nhiệt độ trung bình của dịng nhập liệu:
tF1 =tF1v+ tF1r
2 =
30 + 50
2 = 40 ℃.
TạitF1 = 40 ℃ta có:
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,412 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (CpF1, kJ/kg.độ) 3,169 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,308 Bảng I.130, tr 134, [1].
Chuẩn số Pr của dòng nhập liệu:
PrF1 =CPF1. μF1 λF1 =
(3169J/kg. độ). (0,412. 10−3N/m2. s)
0,308W/m. độ = 4,24.
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy:
tw1 = tF1 + ∆Tlog = 40℃ + 38,43℃ = 78,43 ℃
TạitW1 = 78,43 ℃ta có:
Thơng số Giá trị Nội suy theo bảng.
Khối lượng riêng (���, kg/m3) 969,2 Bảng I.2,tr 9, [1].
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,364 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (CpW1, kJ/kg.độ) 4,170 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,661 Bảng I.130, tr 134, [1].
Chuẩn số Pr của dòng sản phẩm đáy:
PrW1 =CPW1. μW1
λW1 =
(4170J/kg. độ). (0,364.10−3N/m2. s)
0,661W/m. độ = 2,29.
Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy, αW1
Đường kính tương đương: dtd= dtr2– dng1= 0,053 – 0,038 = 0,015 m. Vận tốc dòng sản phẩm đáy
vW1 = 4. GW1
= 0,23 m/s.
Chuẩn số Re dòng sản phẩm đáy:
ReW1 =vW1. dμdt. ρw1
W1 =(0,23 m/s). (0,015m). (969,2kg/m3)
(0,364.10−3N/m2. s) = 9186,1.
Vậy thuộc chế độ chảy quá độ 2300 < Re < 10000. Giả sử chọn nhiệt độ ngoài thành ống 1 làtWv = 65 ℃.
TạitWv = 65 ℃, ta có:
Chuẩn số Nu của dòng sản phẩm đáy:
NuW1 = 0,008. ReW10,9. PrW10,43 = 0,008. 9186,10,9. 2,290,43 = 42,1. → αW1 =NuW1. λW1d
td =42,1. (0,661W/m. độ)0,015m = 1855,2 W/m2. độ.
Nhiệt tải của dòng sản phẩm đáy:
qW = q = αW1. tW1 − tWv1 = (1855,2 W/m2. độ). 78,43 − 65 ℃ = = 24915,3 W/m2.
Nhiệt tải qua thành ống 1 và lớp cặn:
Nhiệt trở cặn bẩn trong thành ống 1:r1 =116001 m2. độ/W.
Nhiệt trở cặn bẩn ngoài thành ống 1:r2 =56001 m2. độ/W.
Nhiệt độ thành trong của ống 1:
= 55,34 ℃
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu,αF1
Vận tốc dòng nhập liệu: vF1 = 4. GF 3600. π. ρF1. dtr12 = 4. (2000kg/h) 3600. π. (861,4kg/m3). (0,034m)2 = 0,71 m/s. Chuẩn số Re dòng nhập liệu: ReF1 =vF1. dtr1. ρF1 μF1 = (0,71m/s). (0,034m). (861,4kg/m3) 0,412. 10−3N/m2. s = 50471,3.
Vậy chế độ chảy rối Re > 10000 Tại tFv=55,34oC, ta có:
Thơng số Giá trị Nội suy theo bảng.
Khối lượng riêng (���, kg/m3) 847,8 Bảng I.2,tr 9, [1].
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,341 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (CpFv, kJ/kg.độ) 3,201 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,312 Bảng I.130, tr 134, [1].
Chuẩn số Pr của dòng nhập liệu
PrFv =CPFvλ. μFv
Fv =(3201J/kg. độ). (0,341. 10−3N/m2. s)
0,312W/m. độ = 3,50.
Chuẩn số Nu của dòng nhập liệu
NuF1= 0,021. ε1. ReF10,8. PrF1 PrFv
0,25
= 0,021.1. 50471,30,8. 2,993,50 0,25. 2,990,43 = 187,1. → αF1 =NudF1. λF1
tr1 =187,1. (0,308W/m. độ)0,034m = 1695 W/m2. độ.
Nhiệt tải dòng nhập liệu
qF1= αF1. tFv− tF1 = (1695 W/m2. độ). 55,34 − 40 ℃ = 26011,2 W/m2.
Kiểm tra điều kiện
ε0 < 0,05: ε0 = qF1q− qW1
W1 = 26011,2 − 24915,324915,3 = 0,044.
Tạitwv = 65 ℃thỏa mãn điều kiệnε0 < 0,05.
Hệ số truyền nhiệt K ứng vớitwv = 65 ℃.
K = 1 1
αF1+ r1 + δλ + r2 + 1αW1 =
= 1 1
1695 W/m2. độ+ ( 111600 m2. độ/W) +16,3W/m. độ0,002m + ( 15600 m2. độ/W) +1855,2 W/m1 2. độ = 659,4 W/m2. độ.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F:
F =K. ∆Tlog. 3600 =QW. 1000 (280547,2kJ/h). 1000
(659,4 W/m2. độ). (38,43℃). 3600 = 3,1 m2.
Chiều dài ống truyền nhiệt ứng với diện tích F:
L = F
π.dtr1+ dng1=
3,1m2
Vậy để dự trữ 20% diện tích truyền nhiệt an toàn ta chọn ống truyền nhiệt dài 33 m, chia thành 6 dãy, mỗi dãy 5,5 m.